《指向概念理解的科学课堂实践》（订购）

金莺莲 著

教育科学出版社

　　学生是如何形成科学概念的？学生不是白纸一张，他们是带着很多既有的观念进入科学课堂的，这些观念既有正确的，也是错误的，那么怎么做才能使学生放弃旧有的错误观念，形成新的科学的概念呢？

　　简单地添加新知识不足以支持学生的想法转变为符合科学规范的概念，学习结果依赖于学生的已有观念与新概念之间的相互影响。如何解释这种相互影响？不同流派的研究者从不同角度提出了学生观念转变的机制。

　　凯瑞认为，学生观念变化的过程就是学生获取新科学知识和反思学习的过程。她调查了学生在理解生命这一概念上的变化。她的研究表明，学生在成长过程中不断获取关于生命内在功能特征的信息，并因此逐渐发展了对这一概念的理解。学生反思的动力在于原有概念失去了对新现象的预测力，这种动力来自学生对知识一致性的内在追求。

　　另一类理论认为，观念转变源自认知冲突。持认知冲突观的研究者同样认同观念转变的动力来自学生对知识一致性的追求，但是强调冲突显现了学生想法间的不一致性。他们认为，认知冲突起作用的前提是学生已经具有了可供选择的多种不同的观念。斯特赖克等人提出了观念转变模型，其核心就是通过引发学生已有观念和科学概念之间的冲突来促进学生的观念转变。

　　尽管观念转变模型得到了后继研究者的广泛引用与发展，但其局限性也非常明显。一是不注意学生的情感态度对概念学习的影响。二是难以解释为什么会出现学生看到了自身观念的不足但仍然拒绝改变的情况。有研究者在预测排水体积的实验中发现，即使学生已经学过相关知识，并且研究者通过演示实验表明完全浸没于水中的金属块的质量并不是预测排水体积的一个变量，但仍有被试表示质量不同的立方体排水体积一样，肯定是因为使用了“魔法水”。三是无法解释为什么学生在不同的情境中使用不同的甚至是矛盾的观念来理解同一科学现象。

　　比如，物理系大学生对课本问题和生活问题有着不同的解释。面对这类情况，有研究者认为，要为不同学龄的学生提供合适的基准目标（benchmark），这些目标能够支持学生建立与他们的诸多直觉相兼容的科学概念，通过逐步进阶的课程转变学生的观念。类似地，有研究者指出，要找到学生直觉中与科学原则一致的“锚定概念”，围绕这个概念设计类比实验，展开教学，逐步转换学生的观念。

　　学习研究者从拉卡托斯关于科学史上科学概念发展的研究中获得启示，从另一个角度解读学生的观念转变。拉卡托斯区分了科学家的两类观念：一类叫作“防护带”，另一类叫作“硬核”。科学家的科学“研究纲领”是由“防护带”围绕着“硬核”组成的，是具有严密逻辑的理论系统。前者是科学家可以根据异常的实验数据进行调整的假设，后者则是科学理论体系的核心部分，是不会仅仅因为数据变化而变化的科学信念与基本假设。因此当实验数据出现理论所不能解释的异常时，科学家首先尝试改变“防护带”，以此保护“硬核”。“防护带”的完善能够使“研究纲领”预测和解释更多现象，这就是“研究纲领”的进步；而当“防护带”无论怎么改变都无法解释异常现象时，科学家会意识到“硬核”的不完整，进而使用全新的科学概念和理论来替代它，这被称为原有“研究纲领”的退化。

　　拉卡托斯以开普勒定律的诞生为例，阐释“防护带”和“硬核”的关系以及两者共同存在的必然性和必要性。开普勒最初深受亚里士多德观念的影响，认为火星运行轨道必然是圆形的。因此，当他发现火星轨道的观测数据与理论期望之间存在明显差异时，他专门设计了面积法来证实火星是匀速圆周运动的。当他的计算与观测数据不符这类情况一再出现的时候，开普勒首先质疑的是他的计算方法。拉卡托斯据此推测，对当时的开普勒来说，“火星在做圆周运动”是他的“硬核”，而他使用的方法是修改“防护带”。开普勒选择通过改进他的计算方法来保护他的“硬核”。在数十年对方法的反复修改过程中，开普勒逐渐意识到也许他关于火星轨道的观点是错误的，开普勒定律由此诞生。从开普勒的经历中，我们可以看出“硬核”的存在激发了开普勒探索改进计算行星运行方法的动机。如果没有“硬核”的存在，科学家就不会有所坚持，只能不停地变换他们的想法和观念，也就不能对任何问题形成独到见解。可以说，正是对“硬核”的坚持增进了科学家对世界的理解。

　　与此相仿，在“地球的形状”这一问题上，“地球是平的”是很多学生的“硬核”，而“地球是长方形/碟形的”是学生的“防护带”。在经过教学的冲击之后，学生修正了他们的“防护带”（地球是长方形/碟形的），但仍然保留了“硬核”概念（地球是平的），于是就产生了诸如“地球是扁平球体”这类观念。

　　几乎在美国学者开始关注概念学习研究的同时，欧洲学者也在推进对这一领域的理解。日内瓦大学的研究者焦尔当提出了“学习的变构模型”。焦尔当认为，个体观念具有类似于“冰山”一样的复杂结构，观念转变是同时发生在不同层面上的。在此过程中，学生的已有观念既是学习的唯一工具，也是智力发展的“囚笼”。教师只能通过设计与学生主体观念产生互动的教学环境来影响学习，即教学的目的在于推动学生在各个层面进行观念的对质，进而造就与自身观念相容的新概念体系。

　　综上所述，在面对认知冲突时，学生通常倾向于保全已有观念，而不是转变观念。这是因为，学生的观念变化过程同时发生在多个层面，复杂而缓慢。但正是这种缓慢为学生深入理解所学概念提供了可能。当学生的概念学习深入到他们再也不能轻易忽视已有观念和科学概念间的不一致时，他们的观念就会悄然发生转变。

　　本文选自《指向概念理解的科学课堂实践》教育科学出版社。

来源：教育科学出版社